有限元网格中波动的频散与稳定性的一种改进方法

本文采用含有频率的高阶位移函数,由二维波动方程导出了波在有限元网格中传播的频散关系,利用这一关系给出了波动的稳定条件。理论分析和数值计算结果表明,文中的有限元方法明显地改善了有限元网格中波动的频散性和稳定性。     

双相各向异性介质中弹性波方程的有限元解法及波场模拟

基于双相各向异性介质模型,首先推导了双相各向异性介质中弹性波传播的动力学方程及其Galerkin变分方程和有限元运动方程,然后给出了孔隙弹性波方程的有限元数值解法以及二维双相PTL介质中波场模拟的人为吸收边界条件. 最后,利用本文给出的有限元方法对双相PTL介质和双相各向同性介质中的弹性波传播进行了数值模拟. 结果表明:有限元方法和吸收边界条件有效、可行,在理想相界条件下,不论是从固体位移,还是从流体位移的波场快照都能看到明显的慢速拟P波;在黏滞相界情况下,能否观察到慢速拟P波,与含流体地层介质的耗散性质有关.对实际含流体介质,从流体位移分量的波场快照比从固体位移波场快照更容易观察到慢速拟P波.     

非一致地震波动输入下大型钢筋混凝土框架结构-地基体系地震响应规律

为探索非一致地震波动输入对大型钢筋混凝土框架结构地震响应的影响,基于OpenSees软件平台建立二维钢筋混凝土框架结构\|地基动力相互作用有限元模型。将El-Centro地震波按P波波形分别以0°、15°、30°和35°角入射该有限元模型进行计算,对比分析框架柱内力和楼层层间位移的地震响应。研究发现非一致地震波输入方法对于大型钢筋混凝土框架结构建筑动力响应影响明显,随着地震波入射角的增大,钢筋混凝土框架结构底层柱的轴力幅值减小,剪力幅值增大,而弯矩幅值变化较小,楼层层间位移幅值也随之增大。研究结果对于大型钢筋混凝土框架结构抗震设计具有参考意义。     

基于Qt编程的实时二维地震波有限差分模拟

将Qt编程与二维有限差分正演模拟相结合,开发一种能够进行实时正演模拟以及将正演结果用png图片形式或segy文件格式输出的软件。首先,将二维声波方程、二阶Clayton_Engquist_majda吸收边界条件以及子波函数进行离散后进行软件设计和编程;编程过程中,试验发现全波形和半波形子波对正演结果的影响,并提出解决方法;给出实时显示波场的实现思路并进行验证,通过增益参数的添加提高了波场对比度和正演效果。     

平面SH波在弹性半空间中三维洞室周围的散射

结合弹性均匀半空间中力源格林影响函数,采用一种间接边界积分方程法求解了弹性半空间中三维洞室对入射平面SH波的散射问题。通过与已有结果的比较,验证了方法的计算精度。在此基础上,以半空间中圆球形洞室为例,对洞室附近地表位移响应和洞周应力集中特征进行了分析,并与二维模型进行了比较。研究表明:三维和二维模型对平面波的散射在整体上存在相似性,但也存在显著差别;二维模型的地表位移峰值均大于三维情况,前者地表位移空间分布更为复杂,动力响应更为剧烈;三维模型的洞室表面应力峰值则普遍大于二维情况,并且在峰值位置上存在显著差异,且随着频率增大,差异愈加明显。     

非线性P波在二维固体中的传播特点数值模拟

波动理论一直是地震学的核心内容,非线性波在介质中是真实存在的,能够充分认识非线性波,将对波动理论的发展和进一步应用提供很大的帮助.本文从固体介质中的位移、应力、应变的基本关系出发,推导了非线性P波在二维固体中的传播的非线性方程,对此非线性方程,采用四阶差分的方法,研究其在二维空间中的传播特点,对非线性波的传播有了更深的认识和理解.     

二维时间空间域和频率空间域声波全波形速度反演方法的对比研究

本文将二维时间空间域和频率空间域声波全波形速度反演方法分别应用到Marmousi模型,进行数值试验.两种方法均采用相同的观测系统和其他的参数,理论模型的数值试验结果证实了:使用较多的计算集群的CPU进行二维频率空间域直接法声波全波形反演时,其加速有限(正演数值模拟的计算量主要用于稀疏矩阵的LU分解,炮点计算波场时为线性关系).二维时间空间域声波全波形反演计算时更灵活,多炮同时计算时,可以多倍提高其计算效率;二维声波全波形速度反演时,直接法求解频率空间域的计算速度远快于时间空间域,所需要的计算机内存也比时间空间域少.二维声波全波形速度反演时,相比较于时间空间域的方法,频率空间域直接法声波全波形反演具有计算速度快和节省计算机内存需求的优势.     

二维SH波方程的半解析解及其数值模拟

本文以波动理论为基础, 半解析化求解地震勘探中常用的SH波方程. 获得的主要结果包括: 给出了二维均匀介质中SH波方程的解析解; 利用Cagniard-de Hoop方法详细推导了二维双层介质中SH波方程的解析解, 获得了透射波的解析解表达式. 同时, 基于SH波方程的解析表达式, 给出了包含各种波(如直达波、反射波、首波以及透射波)的解析解和波形图. 对于比较复杂的积分型解析解, 利用数值积分方法给出了数值结果, 并与优化的近似解析离散化方法(ONADM)和4阶Lax-Wendroff修正方法(LWC)的数值结果进行了比较, 以验证解析解的正确性. 本文的研究成果有望在检验波动方程数值新方法的有效性、波传播理论分析等方面得到应用.     

二维饱和孔隙介质的三场有限元方法

根据流固两相混合物连续介质力学理论,采用伽辽金加权残值法,选取固相位移,液相位移,孔隙不压作为场变量,对固液两相耦联方程进行有限元离散化,得到解耦方程组。然后在时域上采用Ｗｉｓｏｎ－θ进行了逐步积分,得到一种分析二维饱和孔隙介质地震反应的三场有限元方法。     

基于形态成分分析地震信号二维域面波分离方法研究（英文）

地震数据中的面波是严重降低地震资料信噪比的干扰波,它的存在影响了后续地震资料的处理与解释。本文根据地震记录中面波与反射波信号形态结构的差异,采用基于二维字典形态成分分析方法对面波噪声与反射波进行分离。根据面波信号的低频、低视速度和频散的特性,选择二维非抽样离散小波变换作为面波的稀疏表示字典,根据反射波局部相关性较强的特点,选择二维局部离散余弦变换作为反射波的稀疏表示字典,构建地震记录在联合二维字典下的稀疏表示模型并采用块协调松弛算法进行求解,将地震记录分解为反射波部分和面波部分。对合成地震信号以及实际地震资料的处理结果表明本文方法不仅能有效压制强能量的面波干扰,而且还能很好保护反射波信号的波形。     

Finite element simulation of steady state SH wave motion

ＦｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｓｔｅａｄｙｓｔａｔｅＳＨｗａｖｅｍｏｔｉｏｎＺｈｅｎ－ＰｅｎｇＬＩＡＯ（廖振鹏）ａｎｄＧｕａｎｇＹＡＮＧ（杨光）（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＳｔａｔｅＳｅｉｓｍ...     

有限元离散模型中的出平面运动形式

波动在有限元离散模型中传播时,会出现许多不同于连续介质中波动的现象.本文引用经典物理学中晶格动力学的分析方法,由有限元离散形式的出平面波动方程得到频散关系,在此基础上,讨论了集中质量有限元模型中各种可能的出平面运动形式,并分析了考虑时域离散化影响下各种形式可能存在的频率范围.     

求解运动方程的一种不等时间步长的显式数值积分方法

在波动有限元模拟中, 若采用传统的显式数值积分方法求解运动方程, 计算时间步长需采用计算区内满足稳定条件要求的最小时间步长. 然而, 对于大部分计算区域, 这一时间步长过小, 是不必要的. 本文提出了一种不等时间步长的显式数值积分方法, 其基本思想是不同的计算区域采用满足各自稳定条件的计算时间步长. 最后, 本文通过数值试验检验了这一方法的可行性及其对数值计算精度的影响.      

弹性波的三维有限元模拟

本文讨论了弹性波瞬态传播问题的三维有限元计算方法及当前存在的实际困难.针对要求计算机内存大和计算时间长的问题,采取了改进措施.由于采用了集中质量矩阵和修正的中心差分时间积分显格式相结合的方法,可以使计算机内存和计算时间大为减少;由于采用结点定位法,最适合用于目前发展的并行计算机系统,可使计算速度大大增快;还采用了有效激发震源法,有效激发区是随时间步进的增加而逐步增大,这不仅能节省计算时间,而且使波场的传播过程一目了然,本文计算了由两种介质组成的三维楔形问题,得到若干典型剖面的瞬时波场图及随时间变化的合成地震图.     

波动方程的应力-速度有限元解耦交叠格式

本基于有限差分交叠格式和解耦有限元方法的基本概念,以应力－速度为变量,提出了求解波动的应力－速度有限元解耦交叠格式,这一格式不仅时空解耦,而且为显式,它适合于线性及非线性波动问题的数值模拟,已有的应力－速度有限元交叠格式（即格子法）为本的特例。通过解析解数值检验表明,本建议的方法具有较高的精度,而格子法计算精度较低。     

A varying time-step explicit numerical inte-gration algorithm for solving motion equa-tion

Introduction In linear elastic medium,motion equation for lumped-mass finite element simulation of wave motion is expressed as(LIAO,2002)∑=+lililii ttGtM)()()(FUU&&(1)where Mi is lumped-mass at node i,Gil is stiffness coefficient of node i with respect to node l,üi(t)is acceleration vectors at node i,Ul(t)is displacement vectors at node l,Fi(t)is the external nodal force vectors acting at node i.If acceleration vectorsüi(t),displacement vectors Ul(t)and the external nodal force vectors…     

2-D transient soil–surface foundation interaction and wave propagation by time domain BEM

This paper shows an effective implementation of the half-plane Green function for surface strip impulses (Lamb's problem), which was previously developed in a closed form by the authors, into the time-domain boundary element method for the analysis of related initial boundary value problems. The time-stepping algorithm utilizing Heaviside step function makes the solution process free from the Rayleigh wave front singularity. Illustrative analyses performed include that: First, the response due to an impulsive uniform strip loading is dealt with in order to check the accuracy of the present solution and to interpret the associated wave motion in the medium. Second, a rigid massless strip surface foundation is analysed when subjected to various impulsive loadings in vertical, horizontal and rotational directions to observe which wave is most concerned with the respective foundation motion. The field response is also of interest with respect to distance attenuation. Third, the dynamic cross-interaction between active and passive foundations through soil is investigated when multiple strip foundations are placed separately on a half-space with a certain distance.     

有限元三角网格中波动的频散分析及数值仿真

波动问题有限元离散后会引起数值误差, 数值频散的本质就是数值误差传播引起的非物理解. 数值频散不仅没有实际意义, 而且还会影响对真实波动现象的认识. 为厘清有限元三角网格中波动数值频散的影响因素, 本文推导了集中质量矩阵和一致质量矩阵的频散函数, 同时给出了组合质量矩阵的频散函数, 并对不同质量矩阵的数值频散进行了对比研究. 理论分析和数值计算结果表明: 有限元三角网格中波动的数值频散受网格布局、 波传播方向、 单元网格纵横比以及质量矩阵的影响; 一致质量矩阵的数值频散比集中质量矩阵更易受到波传播方向的影响; 不合理的三角网格单元会对数值相速度(数值频散)产生不良影响; 正三角网格中波动的数值频散几乎不受波传播方向的影响; 一致质量矩阵与集中质量矩阵的线性组合能够有效地压制数值频散.      

结构动力学方程的显式积分格式

本文从空间解耦有限元常微分方程组出发，探讨了结构动力学方程的高精度显式积分格式。通过被积函数的拉格朗日多项式内插和分部积分导出了波动数值模拟的一组显式时步积分公式。这组公式是时间和空间解耦的，即波场内任一离散节点在任一时刻的波动数据可以用这组公式依据该节点及其邻近节点在该时刻之前的n＋1个时刻的波动数据显式地算出（n为非负整数），阐明了这组公式的如下特点：第一，其截断误差的量级不超过0（Δt^n＋3），Δt为时间步距。第二，它不仅可用于线性波动的数值模拟，而且可用于本构方程具有强非线性情形。第三，这组公式也可推广应用于一系列数学物理暂态问题的数值求解。针对一个简单的时不变系统初步分析了此组积分格式的稳定性。但是，对其稳定性尚需作进一步研究。     

用于弹性波模拟的交错网格预处理和多次校正的Chebyshev谱元法

本文基于弹性波动方程,从其弱形式出发,利用Galerkin变分原理,通过对方程进行空间和时间上的离散,在空间域中引入预条件共轭梯度的逐元算法,在时间域中引入时间积分的交错网格预处理/多次校正算法,发展了弹性波模拟的Chebyshev谱元算法。针对均匀固体介质和具有倾斜分层的分区均匀固体介质模型,通过与有限差分算法结果相比较验证其精度的可信性,同时利用该算法模拟了弹性波在具有水平分层的任意起伏自由表面模型中的传播,并分析了其传播特点。研究表明,我们提出的交错网格预处理/多次校正算法的Chebyshev谱元算法,保留了有限元法的优势,并且采用了具有最优张量乘积技术的元到元的算法,能够处理带有起伏自由表面的复杂介质模型,它具有比有限元法收敛快,计算效率较高等优点,特别适合于复杂结构和复杂介质中的弹性波传播的数值模拟。